Kubernetes设计理念与分布式系统

分析和理解Kubernetes的设计理念可以使我们更深入的了解Kubernetes系统,更好的利用它管理分布式部署的云原生应用,另一方面也可以让我们借鉴其在分布式系统设计方面的经验。

API设计原则

对于云计算系统,系统API实际上处于系统设计的统领地位,正如本文前面所说,k8s集群系统每支持一项新功能,引入一项新技术,一定会引入对应的API对象,支持对该功能的管理操作,理解掌握的API,就好比抓住了k8s系统的关键。k8s系统API的设计有以下几条原则:

  • 所有API应该是声明式的。声明式的操作,相对命令式操作,对于重复操作的效果是稳定的,这对于容易出现数据丢失或重复的分布式环境来说是很重要的。另外,声明式操作更容易被用户使用,可以使系统向用户隐藏实现细节,隐藏实现细节的同时也就保留了 系统未来持续优化的可能性。此外,声明式API同时隐含了所有的API对象都是名词性质的,例如Service、Volume这些API名词描述了用户所期望得到的一个目标分布式对象。
  • API对象是彼此互补而且可组合的。这里面实际是鼓励API对象尽量实现面向对象设计时的要求,即“高内聚,松耦合”,对业务相关的概念有一个合适的分解,提高分解出来的对象的可重用性。事实上,k8s这种分布式系统管理平台也是一种业务系统,只不过它的业务就是调度和管理容器服务。
  • 高层API以操作意图为基础设计。如何能够设计好API,跟如何能用面向对象的方法设计好应用系统有想通的地方,高层设计一定从业务出发,而不是过早的从技术实现出发。因此,针对k8s的高层API设计,一定是以k8s的业务为基础出发,也就是提供调度管理容器的操作意图为设计基础的。
  • 底层API根据高层API的控制需求设计。设计实现底层API的目的是为了被高层API使用,考虑减少冗余、提高重用性的目的,底层API的设计也要以需求为基础,要尽量抵抗受技术实现影响的诱惑。
  • 尽量避免简单封装、不要在外部API无法显示知道的内部隐藏的机制。简单的封装,实际没有提供新功能,反而增加了对所封装的API的依赖性。内部隐藏的机制也是非常不利于系统维护的设计方式,例如PetSet和ReplicaSet,本来就是两种Pod集合,那么K8s就用不同的API对象来定义他们,而不会说只用一个ReplicaSet,内部通过特殊的算法再来区分这个ReplicaSet是有状态还是无状态的。
  • API操作复杂度与对象数量成正比。这一条主要是从系统的性能角度考虑,要保证整个系统随着系统规模的扩大,性能不会迅速变慢到无法使用,那么最低的限定就是API的操作复杂度不能超过O(N),N是对象数量,否则系统就不具备水平伸缩性了。
  • API对象状态不能依赖于网络连接状态。由于众所周知,在分布式环境下,网络连接断开是经常发生的事情,因此要保证API对象状态能应对网络的不稳定,PAI对象的状态就不能依赖于网络连接状态。
  • 尽量避免让操作机制依赖于全局状态,因为分布式系统中药保证全局状态的同步是非常困难的。

控制机制设计原则

Kubernetes的核心技术概念和API对象

Pod

复制控制器(Replication Controller,RC)

副本集(ReplicaSet,RS)

部署(Deployment)

服务(Service)

任务(Job)

后台支撑服务集(DaemonSet)

有状态服务集(PetSet)

集群联邦(Federation)

存储卷(Volume)

持久存储卷(Persistent Volume,PV)和持久存储卷声明(Persistent Volume Claim,PVC)

节点(Node)

秘钥对象(Secret)

用户账户(User Account)和服务账户(Service Account)

命名空间(Namespace)

RBAC访问授权

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